坦帕灣海洋環(huán)境動力診斷和海水滯留時間的研究.pdf

1、本文采用有限體積方法、非結構網(wǎng)格和基于原始方程的近岸海洋模式FVCOM,建立了適用于坦帕灣的三維斜壓高分辨率數(shù)值模型。為了較準確地模擬重要物質(zhì)輸運通道(如航道、口門、橋洞、河道以及相鄰的水道)對坦帕灣水動力和水交換的影響,模型設計網(wǎng)格大幅提高了在這些部分的分辨率(最高分辨率達20m)。通過較為滿意的觀測與模擬資料的對比以及相對于之前的坦帕灣模擬結果的改進,作者對所建立模型的合理性進行了驗證。
　　基于已經(jīng)建立的坦帕灣高分辨率數(shù)值模

2、型,論文以2001年秋季為例,首先模擬分析了坦帕灣的環(huán)流特性。主要包括坦帕灣在潮汐和河流,以及潮汐、河流和風兩種作用情況下的潮特性,如潮位和潮流,以及非潮特性,如非潮水位(non-tidal elevation)、非潮流場(non-tidal current)、非潮鹽度場(non-tidal salinity)等的分布。論文總結了坦帕灣潮特性的相關規(guī)律,分析了重力對流和風對坦帕灣環(huán)流結構的影響。研究發(fā)現(xiàn),在潮汐和河流的共同影響下,經(jīng)典的

3、河口兩層環(huán)流結構在坦帕灣得以建立(表層流向灣外,底層流向灣內(nèi)),并且在航道處的非潮水位較低,非潮流場較強。由灣內(nèi)指向灣外方向(2001年秋季)的風應力促進了坦帕灣流向灣外的表層流,同時水位梯度力發(fā)生了反轉(zhuǎn),變成了由灣口指向灣頂,這同時又加強了流向灣內(nèi)的底層流。在淺水區(qū),風應力通過湍流混合可影響到底層,從而使淺水區(qū)域的表層和底層都有和風向近乎一致的流動。在深水區(qū),表層流的變化多和風應力的方向一致,底層流的變化多和風應力的方向相反。

4、　　接著,論文對坦帕灣的鹽平衡進行了系統(tǒng)的診斷分析,包括基于鹽輸運方程的鹽平衡的逐項分析,水平和垂直鹽對流項的分解,以及三維結構的鹽通量的診斷。研究發(fā)現(xiàn),坦帕灣灣內(nèi)任意位置的鹽平衡和鹽通量都是完全的三維結構。從三個月的平均來看,總的鹽對流(水平方向加垂直方向)主要由垂向鹽擴散來平衡,但在航道底部,水平鹽擴散的作用同樣不可忽略。從瞬時鹽平衡來看,鹽度的變化主要由總的鹽對流來決定,垂直鹽擴散以及航道底部的水平鹽擴散同樣發(fā)揮作用,但作用相對較

5、小。和平均流有關的鹽對流在水平方向和垂向方向的量值非常大,并且近乎完全抵消,當對它們求和時,得到一個非常小但卻非常重要的量。和潮汐泵(tidal pumping)有關的鹽對流在水平方向和垂向方向的量值相對較小,并且也存在相互抵消的趨勢,當對它們求和時,得到一個與總的平均流部分的鹽對流量級相等的量。受地形(如航道)以及河流淡水的影響,在不同斷面的軸向鹽通量的分布并不相同,但不管它們?nèi)绾巫兓?與平均流有關的軸向鹽通量要比與潮汐泵有關的軸向鹽

6、通量大一個數(shù)量級。
　　其次,論文通過對坦帕灣以及其灣內(nèi)5個主要子區(qū)域的示蹤物濃度的數(shù)值模擬,分析了潮汐、河流、風以及復雜地形(如航道、口門)對滯留時間的影響,并研究分析了產(chǎn)生這些影響的原因。研究發(fā)現(xiàn),潮汐單獨作用時,由于坦帕灣潮汐較弱,潮程較短,坦帕灣跟其臨近海域的水交換較弱,且主要發(fā)生在灣口附近,但當用于水交換的多個口門存在時,口門之間的潮流相位差可大大加速其內(nèi)水體的水交換。坦帕灣海水滯留時間的長短和其三維環(huán)流的強弱有關,而河

7、流和風通過加強坦帕灣的三維環(huán)流大大促進了灣內(nèi)的水交換。在坦帕灣海水滯留時間的分布具有較大的空間差異:在航道和灣口處海水滯留時間較短,水交換較強,而在Old Tampa Bay的西側和北側,海水滯留時間較長,水交換能力較弱。論文同時針對滯留時間長于模擬計算時間的情況,采用雙指數(shù)曲線擬合方法估算了這些區(qū)域滯留時間值。
　　最后,論文將對坦帕灣水動力和海水滯留時間的研究應用到了坦帕灣可能的工程建設——坦帕灣航道的加深加寬。研究發(fā)現(xiàn),坦帕